基于PLC的矿井通风机变频控制系统的设计.pdf

第 9卷第 1 6期2 0 0 9年8月 1 6 7 1 -- 1 8 1 9 2 0 0 9 1 6 -- 4 7 7 1 - 0 5 科学技术与工程 S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g Vo 1 ． 9 No ． 1 6 A u g ．2 0 0 9 2 0 0 9 Sci ． T e c h ． E n g n g ． 矿冶技术 基于 P L C的矿井通风机变频控制系统的设计 吴燕翔 李权任成 萍刘雨青 上海海洋大学工程学院 ， 上海 2 0 1 3 0 6 摘要 系统采用三菱 F x系列 F X1 N 6 0 m r P L C 、 f r ． ／ 5 4 0 L系列变频器 f r - f 5 4 0 L - s 2 5 0 k - c h和型号为 Y - 3 5 5 M 2 - 6的异步电动机， 有效地实现 了矿井通风系统的逻辑控制、 安全控制、 故障诊断和实时监控等。该控制系统操作方便、 运行可靠、 自动化程度大 大提高， 克服了传统的用挡板、 阀门调节风量的恒速交流传动中耗电量大的问题， 达到了良好的节能效果， 并成功地应用于山 东锦丘煤矿主井通风系统中， 运行效果良好。 关键词P L C 风机 变频器 矿井通风系统 中图法分类号T D 6 3 5 ； 文献标志码A 矿井通风机是矿井的关键设备 ， 一方面 ， 风机 的正常 、 稳定运行直接影响到矿井生产和工人的人 身安全 ； 另一方面， 风机又是耗 电大户， 通风机的耗 电在整个煤矿生产中 占有相 当大的分量_ 1 J ， 因此需 要对风机风量进行有效地控制 以达到节能的效果。 传统上采用恒速电动机拖动风机， 通过调节挡板或 阀门来调节风机的风量， 其功率损耗大， 运行效率 低 。引入变频调速后 ， 可以根据所需的风量来调节 电机转速 ， 获得很好 的控制性能和节能效果。因而 采用变频调速的风量控制方案逐步取代了风门、 挡 板 、 阀门的控制方案。 1 工艺要求 在 煤矿安全规程 一百二 十一条有如下规 定 “ 必须安装 2套同等能力的主要通风机装置 ， 其 中 1套作备用， 备用通风机必须能在 1 0 mi n内开动 ⋯⋯ ” 。因此， 通风系统中应有两组通风机 ， 且要求 两组风机规模相同， 分别 由两 台变频器控制两 台电 2 0 0 9年 4月 1 4日收到 第一作者简介 吴燕翔 1 9 6 2 一 ， 女， 河南修武人， 副教授， 硕士， 研 究方向 工业 自动化 。E - ma i y x w u s h o u ． e d u ． c n 。 机拖动运行 ， 当其 中一组系统无法正常运行时 ， 要 能立刻启动备用机组 。另外根据用户要求 ， 通风机 的后期功率应达 到 5 0 0 k W， 但在实际操作 中遇 到 5 0 0 k W 变频器的货源无法落实且通风井过窄等问 题 ， 所以采取每组通风机用两 台 2 5 0 k W 异 步电机 极联来驱动， 再用两台 2 5 0 k W 变频器分别 控制两 台电动机； 风门为立式闸门， 方式为全开 该风机组 工作状态 或全 闭 该风机组休息状态 ， 分 别由两 台小功率 电机拖动 ， 并采用软件和硬件双重互锁 ； 操纵方式为 自动和手动两种方式 ， 自动控制由 P L C 实现。其通风结构示意图如图 1所示。 图 1 通风结构示意图 4 7 7 2 科学技术与工程 9卷 2 系统的硬件配置 2 ． 1 控制系统图 根据系统的工艺要求 ， 设计 的控制系统如 图 2 所示 。 图 2 控制 系统 图 系统包括一台 P L C， 两台变频器 ， 两组电机和两 个风门。每台风机由两台 2 5 0 k W 的三相异步 电机 驱动。两套 电机组结构、 控制方法都相 同， 呈对称 结构。 日常使用时 ， 两组 电机只有一组工作 ， 另一 组备用 。使用哪组风机 由操作面板选择 ， P L C根据 面板输人 ， 控制切换开关选择相应 的机组。正常工 作时， 风机电源 由变频器提供。在变频器无法正常 工作时， 风机电源将切换成工频， 直接使用3 8 0 V三 相交流电。风机 电源的切换、 变频器电源 的切换与 变频器 的启动、 输出都 由 P L C来控制。所有通风相 关设备的实时监控 也 由 P L C完成。变频器主要完 成对电机组的变频调速控制。 P L C和变频器通过 R S 4 8 5进行现场 总线通讯 ， 实现 P L C对变频器的速度给定及运行控制， 提高了 数据传输的速率及减少了现场硬件连接 ， 降低了系 统成 本 。 P L C的高速计数模块与电机的轴编码器相连 接 ， 用于接收脉冲 ， 计算电机 的实 际速度 ， 再通过程 序 比较给定速度和实际速度 的偏差 ， 从而决定对 电 机加速或减速 ， 达到精 确控制 电机转 速的 目的， 最 大限度地实现两台串联电机的同步运行 。 2 ． 2 P L C的选型及硬件配置 可编 程 控 制 器 选 用 三 菱 F X 系 列 的 F X1 N ． 6 0 m r ， 加装 R S 4 8 5扩展卡。I ／ O接 口共 6 0点， 其 中输入 3 6点 ， 输出 2 4点。P L C与变频器之间使用 现场总线进行通讯 ， 采用 R S 4 8 5接 口， 减少了 P L C 的输入输出接线 ， 并能实时 分析参数 ， 当工程后期 安装上上位机后 ， 监管人员就能随时观察变频器及 系统的运行状态 。另外 配置 了高速计数模块 ， 型号 为 F XI N E P R O M- 8 L， 该模块 与 电机 的轴编 码器连 接 ， 用于接收高速脉冲的输入及计数 。 根据系统的控制要求 ， 确定系统共需 占用 4 1 个 I／ O点， 其中输入 2 1 点， 输出 2 0点， 具体地址分配 如表 1 所示 。 表 1 P L C I ／ O 分配表 输入点 功能 输 出点 功能 l 6 期 吴燕翔， 等 基于 P L C的矿井通风机变频控制系统的设计 4 7 7 3 输入点 功能 输出点 功能 x 1 3 风门 2关到位 D 2 B Y 2 2 指示灯 M1 A r u n x 1 4 变频器 A发生报警K1 AY 2 3 指示灯 M1 B D i l l x 1 5 变频器 A正在运行K 2 AY 2 4 指示灯 M2 A r u n x 1 6 变频器 B发生报警K1 BY 2 5 指示灯 M 2 B r u n x 1 7 变频器 B正在运行K 2 B 2 ． 3 变频器的选型及配置 选用三菱 f r i 5 4 0 L ． 2 5 0 k变频器 引， 是专为电 机节能而设计的。该变频器智能化程度高， 提供各 KM1 A KM3A M 1 A 2 0 0l 【 W V W F 1 c 3 8 a v 种保护功能， 其内置 R S 4 8 5接口可直接与三菱 P L C 进行通讯， 额定功率为2 5 0 k W， 额定电流4 7 7 安， 输 出频率0 ． 5 ～ 1 2 0 H z ， 接线如图3 所示。图中接触器 K M1 A和 K M 2 A用来选择电机的工频电源和变频器 电源 ， 在控制线路上采用互锁接线 ， 不会发生 K M1 A 与 K M 2 A同时接通 的情 况。接触器 K M3 A、 K M 4 A 用来选择风机组 ， 同样互锁。K1 1一K1 4为 中间继 电器 ， 分别 由 P L C来控制电动机的正反转和变频器 的停止与复位。 I I f ‘ 一 KM2A、 l l f． I． 翻 [性 、 、 一 K’’ 1’ 一K’ 1’ 一 ’3 1’ 一 ’‘ ]‘ ● ● s T 南 s P R s E T “。“ 一 。1 隙_ F 5 4 0 L ． 2 5 0 K 信号电 一 正转 反转 停止 量位 R【 J N Al ARM l U v w v ■ ⋯”⋯⋯⋯ ’ I o _ P P - K 1 -K 2 - P 匕 ] 匕 ] - 翻 - t ， t ／ t t - ⋯ ’ “ 一 、 KM4 A 、 、 、 - i ● 蝼行 曩t■ 出 N O ． 1 风机组 N O ． 2 风机组 图3 变频器接线图 两台电动机极联拖动一台风机 ， 采用两台型号 相同的变频器分别控制两台电机， 两台电机的速度 必须同步。因此， 变频器在使用时， 除了要设定一 些必要的内部参数外， 还必须实现两 台电机之 间的 速度同步。其双机变频同步驱动系统如图4所示。 图中一 P R是主驱动变频器的速度设定端， 将速度信 号给定到主驱动的变频器， 一 A Y是其速度的模拟 信号输出端， 将之连接到从驱动变频器的速度设定 端， 从而组成“ 主从” 方式的速度同步给定链； 电压 表一 M V 1 和 一 M V 2用于电动机的转速显示； 电流 互感器 一 T M和电流表 一 M T用于总电流检测和显 示； R S 4 8 5 接12 I 模块 一 N R 1 和 一 N R 2用于与P I 进 行通讯； 一 L 1和 一L 2是电抗器， 用于抑制高次谐 波、 平衡电动机电流和输出力矩。 - ．3 8 0 V ／ 5 0 H z 图4 双机变频同步驱动系统 5 2 通信 4 7 7 4 科学技术与工程 9卷 2 ． 4 电动机和编码器的选型 在本系统 中， 选择 日本光洋 系列 的编码器 ， 型 号为 T R D S H1 0 2 4 A， 数量是 4个 。该编码器是彻底 防尘的 A、 B双通道的增量型旋转编码器 ， 中空型可 直接与传动轴连接 ， 体 积小 ， 价格低。电源 电压为 4 ． 5～ 1 3 ． 2 V D C ， 最高响应频率为 2 0 0 K H Z ， 每转 产生 1 0 2 4个脉冲， N P N开路集电极输出类型。 根据工艺要求 ， 系统驱动风机 的四台三相异步 电机选用同一种型号为 Y ． 3 5 5 M 2 - 4， 额定功率为 2 5 0 k W， 额定 电压为 3 8 0 V， 额定电流 4 4 4 A， 功率 因数 0 ． 9 4， 额定转速 1 4 9 0 r ／ mi n 。其 中， 正常运行时， 只 有两台电机 串联驱动风机 ， 其余两台电机作为备用 电机 。 驱动风门的两台电动机选用型号为 Y 9 0 L - 2， 额 定功率为 2 ． 2 k W， 额定电压为 3 8 0 V， 额定电流为 4 ． 7 A， 功率因数 0 ． 8 6， 额定转速 2 8 4 0 r ／ mi n 。其 中 一 台电机作为备用通道的风门驱动。 3 系统的软件设计 软件分两大部分 ， 一部分是硬握手 ， 主要完成 P L C对风机、 风门、 变频器等设备 的逻辑控制 ， 其 流 程图如图5所示。另一部分是软握手 ， P L C与变频 器采用主从应答式 R S -4 8 5通信， 协议设定如下 7 位 A S C I I 码、 停止位 1位、 偶校验 ， 波特 率为 9 6 0 0 b ／ s ， 变频器内的 1 1 7 一l 2 4号用于通信参数的设置， P L C通过特殊寄存器 D 8 1 2 0来确定与通信 有关 的 参数。通讯时 P L C处于主动状态， 根据需要向变频 器发出读／ 写命令 ； 变频器处 于被动状态 ， 只能响应 P L C的命令， 收到 P L C的读写命令后才发送数据， P L C与变频器之间通讯数据的准确性是由总和校验 计算来保证 的， 在此不再赘述。P L C可 以实现对变 频器的运行状态监控、 运行参数读取、 启动变频器 、 停止变频器 等操作 。在通讯 中当 P L C与变 频器的 一 次数据交换在 1 5 s内仍没完成 ， P L C会报警且会 不断试图与变频器通讯 ， 直 到联上变频器 ， 其通讯 监控流程图如图 6所示。 4 结论 图 5 P L C逻辑控制流程 图 N 该系统 已经成功应 用于山东锦丘煤矿 主通风 井变频调速系统 中， 获得 了良好的运行效果。主要 有以下优点 1 每组通风机采取两台功率相同的异步电动 机极联来驱动 ， 用两 台相 同型号的变频器分别控制 两台电动机进行变频调速控制 ，解决 了风道窄的问 题 ， 克服了传统 的电动机恒速运转 ， 用挡板调节风 量耗电量大的问题 ， 提高了系统效率 。 2 采用 P L C技术 ， 完成 P L C对风机 、 风门、 变 频器等设备的逻辑控制， 并对重要信号的采取软、 硬件双重保护 ， 使得控制系统更加安全 ；P L C和变 频器之间使用了通讯技术， 数据传输更为准确、 可 靠 ， 同时节省了大量的硬件设备 。 1 6期 吴燕翔， 等 基于 P L C的矿井通风机变频控制系统的设计 4 7 7 5 器 参考文献 1 何凤有 ， 谷善茂 ， 等． P L C在煤矿 风机 自动控制 系统中的应用． 电 工技术 ， 2 0 0 5 ； 1 2 4 6 47 2 国家安全生 产监督管理总局编 ． 北京 煤矿安全 规程． 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 6 6 6 6 7 3 孙德胜 ．P L C操作实训 三菱 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 7 4 吴启红 ．变频器 ． 可编程控制器及触摸屏综合应用技术时实操指 导书． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 图 6 通 讯 监 控 流 程 图 De s i g n o f I nv e r t e r Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC i n M i ne Ve n t i l a t o r WU Y a n - x i a n g ， L I Q u a n r e n ， C H E N G P i n g ， L I U Y u q i n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g， S h a n g h a i O c e an U n i v e r s i ty ，S h ang h a j 2 0 1 3 0 6， P ． R C h i n a [ Ab s t r a c t ] T h e s y s t e m a d o p t s a M i t s u b i s h i F X 1 N - 6 0 mr P L C． a n d t w o Mi t s u b i s h i F R ． F 5 4 0一 2 5 0 KC H i n ． v e r t e r s，a n d t wo Y 3 5 5M2 - 6 a s y n c h r o n o u s mo t o r s t o r e a l i z e t h e l o g i c c o n t r o l ，s a f e t y c o n t r o l ， f a u l t d i a g n o s i s a n d mo n i t o r o n 。 l i n e o f t h e mi n e v e n t i l a t i n g s y s t e m e f f e c t i v e l y ．T h e s y s t e m i s e a s i l y o p e r a t e d，a n d c a n F u n r e l i a b l y a n d a u t o m a t i c a l l y ， a n d r e d u c e s t h e h u g e e l e c t ri c p o w e r c o s t w h i c h i s b r o u g h t o u t b y t h e t r a d i t i o n a l m e t h o d f o r a d j u s t i n g b r e e z e a mo u n t wi t h t h e b a f fle a n d t h e v alv e i n c o n s t a n t s pe e d alt e r n a t i n g c u r r e n t d riv e s y s t e m 。a n d c o me s t o a g o o d e c o n o my e n e r g y e f f e c t ．T h i s c o n t r o l s y s t e m h a s a p p l i e d t o ma i n w e l l i n S h a n d o n g J i n q i u c o al mi n e s u c c e s s f u l l y ， t h e mo v e me n t e f f e c t i s g o o d ． [ Ke y wo r d s ] p r o g r a mm a b l e l o g i c c o n t r o l l e r v e n t i l a t o r i n v e e r m i n e v e n t i l a t i n g s y s t e m